KR102497660B1 - 플라즈마 토치 설계 - Google Patents

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KR102497660B1
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알렉산더 에프 호르만
피터 엘 존슨
닐스 세버린 마이클버스트
마그네 마티센 노르드비크
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모놀리스 머티어리얼스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 설계는 플라즈마 토치의 성능을 향상시키기 위해 진보한다. 본원에 기술된 다양한 진보 기술들 중 하나 이상을 사용함으로써 토치와 반응기와 제조 공정의 효율성 및 효과를 향상시킬 수 있다. 토치를 수소 플라즈마 가스, 천연 가스 공급 원료와 함께 사용하는 것과, 카본 블랙 제조에 대해서도 설명된다.

Description

플라즈마 토치 설계{PLASMA TORCH DESIGN}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2014년 1월 31일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/934,184호의 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 본원에 명백히 원용되어 포함된다.
본 발명이 일반적으로 속하는 기술분야는 화학적 변화에 영향을 주는 전기 에너지를 사용하는 방법 및 장치이다.
카본블랙을 제조하기 위해 사용될 수 있으며 수년에 걸쳐 사용되고 있는 공정들이 많이 있다. 이러한 카본블랙을 생산하기 위해 수년에 걸쳐 사용되어온 에너지원은, 대개는, 탄화수소 함유 물질을 카본블랙으로 변환하는 데 사용되는 원료 물질과 밀접하게 결부되어 있다. 정제 잔유(residual refinery oil) 및 천연가스는 오랫동안 카본블랙 제조를 위한 자원이 되고 있다. 에너지원은 카본블랙 생산 등의 화학 공정에서 시간이 지남에 따라 단순한 화염에서, 예를 들면, 오일로(oil furnace), 플라즈마(plasma)로 서서히 발전되어 왔다. 모든 제조에서처럼, 이러한 제품을 생산하기 위한 더 효율적이고 효과적인 방안들이 지속적으로 탐색되고 있다. 에너지원의 유량 및 다른 조건들을 변화시키기, 원료의 유량 및 다른 조건들을 변화시키기, 생산 속도를 증가시키기, 수율을 증가시키기, 그리고 제조 설비의 마모 특성을 감소시키기 등은 모두가 수년에 걸친 그러한 탐색의 일부였으며, 또한 계속되고 있다.
여기에 기술된 시스템은 전술한 과제를 충족시키며, 또한 더 효율적이고 효과적인 제조 공정을 부가적으로 얻는다.
기술되는 것은, 서로 끼워지며 동축으로 정렬된 적어도 두 개의 원통형 흑연 전극을 포함하는 플라즈마 토치;
상기 내부 전극이 중공(hollow)인, 청구항 1에서 전술한 플라즈마 토치;
상기 내부 전극이 중실 원통인, 전술한 플라즈마 토치;
적어도 약 60 부피%의 H2인 플라즈마 가스로 사용할 수 있는 전술한 플라즈마 토치;
CO, C2H2, HCN, CH4, C2H6, N2, 다환 방향족 탄화수소, 모노 방향족 탄화수소, 및/또는 Ar 가스 중 적어도 하나를 적어도 10ppm(parts per million)으로 존재하게 함유하는 플라즈마 가스로 사용할 수 있는 전술한 플라즈마 토치;
상기 동심 전극들 사이의 간극이 약 4mm 이상이고 약 20mm 이하인, 전술한 플라즈마 토치;
끝부분(tip)을 포함하고, 상기 간극 거리, 전극 두께, 및/또는 상기 끝부분의 표면적이 장착 중에 실질적으로 일정하게 유지되는, 전술한 플라즈마 토치;
특히 플라즈마 가스의 유동에 적합하게 한, 전극들 사이의 적어도 하나의 환형부를 추가로 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
전극들 사이에 상부 환형부와 하부 환형부를 추가로 포함하고, 상기 상부 환형부는 상기 하부 환형부보다 넓은, 전술한 플라즈마 토치;
약 300V 내지 약 1500V의 작동 전압과 최대 약 4500V의 개방 회로 전압을 공급할 수 있는 전원 공급 장치를 추가로 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
적어도 하나의 전극이 끝부분을 구비하고, 당해 토치가, 상기 전극의 끝부분에 약 10mT 내지 약 100mT의 축 방향 성분을 갖는 자기장을 제공할 수 있는 자기장 발생 부품을 추가로 포함하는, 플라즈마 토치;
상부 캐소드 및 하부 캐소드와 상부 애노드 및 하부 애노드를 포함하고, 상기 상부 캐소드가 상기 하부 캐소드에 연결되어 하나의 전기 도전성 전극을 구성하고, 상기 상부 애노드가 상기 하부 애노드에 연결되어 하나의 전기 도전성 전극을 구성하고, 이들의 연결 각각은 전기 도전성 전극 접합부에서 이루어지는, 플라즈마 토치;
상부 전극과 하부 전극을 연결하는 데 원추형 나사들이 사용되는, 전술한 플라즈마 토치;
전극들 사이에 환형부를 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 상부 전극보다 더 좁은 환형부를 갖는, 전술한 플라즈마 토치;
하부 전극들을 소모성으로 구성한, 전술한 플라즈마 토치;
다수의 소모성 전극들이 상부 전극에 부착된, 전술한 플라즈마 토치;
상기 하부 전극들의 링 두께가 각각의 10% 이내인 링 두께를 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
전극 끝부분 영역을 포함하고, 전극 끝부분의 표면적은 외부 전극의 표면적을 내부 전극의 표면적과 비교할 때 2:3보다 크지만 4:1보다 작은, 전술한 플라즈마 토치;
전극들 중 적어도 하나는 실질적으로 배럴 스테이브(barrel stave) 디자인을 취하는, 전술한 플라즈마 토치;
적어도 5 개의 스테이브가 사용되어서 중공 동심 링이 만들어진, 전술한 플라즈마 토치;
열응력을 경감시키고 그리고/또는 열 균열을 제어할 수 있도록 전극 안쪽으로 절개된 축 방향 홈들을 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
전극 끝부분 영역을 포함하고, 상기 원통형 전극들이 끝부분에서 중공 원통에 근사한 동일 전위로 유지될 수 있는 원통형 봉들(rods)을 포함하는, 전술한 플라즈마 토치;
상기 내부 전극이 샤워 헤드 디자인을 포함하는, 전술한 플라즈마 토치;
차폐 가스의 흐름을 위한 환형부를 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
중심 전극의 환형부, 차폐 가스 채널, 샤워 헤드 중 하나 또는 하나보다 많은 것을 통한, 중공 동심 전극들의 몸체를 통한, 그리고/또는 중공 동심 전극들의 중심을 통한 플라즈마 가스의 흐름을 위한 적어도 하나의 채널을 포함하는 전술한 플라즈마 토치;
자기장을 생성하고 맞게 맞추는 적어도 하나의 자석을 포함하는 전술한 플라즈마 토치; 및
애노드를 캐소드에 연결시키며 아크의 개시를 위한 도전성 경로를 제공하는 도전성 기계적 커넥터를 포함하는 전술한 플라즈마 토치.
추가의 실시예들은 다음의 플라즈마 반응기를 제공한다. 즉, 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 반응기로서, 상기 반응기의 벽들이 상기 플라즈마 챔버로부터 열을 멀리 운반할 수 있는 가스 흐름 채널을 포함하는, 플라즈마 반응기;
상기 채널들은 가열된 가스의 적어도 일부가 플라즈마 가스로서 다시 보내지도록 설계된, 전술한 플라즈마 반응기;
전술한 토치를 포함하고, 반응기의 벽들은 목 부분이 형성될 수 있도록 토치 부분 이후에 좁아지고 그 다음 목 부분 이후에서 발산하는, 전술한 플라즈마 반응기;
상기 목 부분 내에 탄화수소 공급 원료 인젝터를 포함하는, 전술한 플라즈마 반응기; 및
상류 또는 하류 방향으로 상기 목 부분의 5 개의 직경부 내에 탄화수소 공급 원료 인젝터들을 포함하는, 전술한 플라즈마 반응기.
도 1, 도 2 및 도 3은 여기에서 설명되는 전형적인 플라즈마 토치들의 개략도이다.
본원에서 제시되는 특정 사항들은 예시를 위한 것으로, 본 발명의 다양한 실시예들을 예시적으로 논의하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 원리 및 개념적 양태들을 가장 유용하고 쉽게 이해되는 설명이라고 생각되는 것을 제공하기 위해 제시되어 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 세부 사항을 표시하려는 시도는 하지 않으며, 본 발명의 설명은 당해 기술분야의 숙련인(이하, 당업자)에게 본 발명의 여러 가지 형태가 어떻게 실제로 구현될 수 있는지에 대해서 명백하게 해줄 것이다.
이하에서는 본 발명을 더 상세한 실시예를 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명은 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 철저해지고 완전해지도록 제공되며 그리고 본 발명의 범위가 당업자에게 완전하게 전달될 수 있도록 제공된다.
다르게 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 숙련도를 가진 자에 의해 보편적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원의 발명의 설명에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명을 한정하려는 것이 아니다. 본 발명의 설명 및 첨부된 청구범위에서 사용된 단수 형태의 부정관사("a", "an") 및 정관사("the")는 문맥상 명백하게 다르게 나타내지 않는 한 복수형도 포함하도록 의도된다. 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 본원에 언급된 다른 참조들은 명백히 그 전체가 원용되어 포함된다.
달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 성분, 반응조건 등의 수량을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에서 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해된다. 따라서, 달리 표시되지 않는 한, 하기의 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 변수는 본 발명에 의해 얻고자 하는 원하는 특성들에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 적어도, 그리고 청구범위의 범위에 대한 균등론 적용을 제한하려는 시도는 아닌 것으로서, 각각의 수치 변수들은 유효 자릿수 및 통상적인 반올림 접근법의 수의 관점에서 해석되어야 한다.
본 발명의 넓은 범위를 기재하는 수치 범위들과 변수들이 근사치임에도 불구하고, 특정 예들에 기재된 수치들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나 임의의 수치는 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필수적으로 발생하는 특정 오차를 고유하게 포함한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 제시되는 매 수치 범위는, 그보다 좁은 수치 범위가 모두 본 명세서에 명시적으로 기재된 것처럼, 그보다 넓은 수치 범위 내에 속하는 넓은 범위의 매 수치 범위를 포함할 것이다.
본 발명의 추가 이점들은 아래에서 이어지는 설명 부분에 기재될 것이고, 부분적으로는 그 설명으로부터 명백해지거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 파악될 수 있다. 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 예시적인 것이고 단지 설명을 위한 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 명세서에 기재된 전형적인 토치의 여러 변형 예들의 개략적인 2차원 도면이다. 예를 들어, 도 1은 전형적으로 캐소드인 내부 전극(108)과 전형적으로 애노드인 외부 전극(107) 사이의 플라즈마 가스 유입구(103)를 통해 흐르는 플라즈마 가스를 보이고 있다. 각 전극은 전극 접합부(105)에서 연결되는, 상부 전극 부분(104) 및 하부 전극 부분(106)으로 구성된다. 전극 접합부는 하부 전극의 중량 분포가 접합부 전체에 걸쳐 균일해지도록 하고 열에 의해 유도된 응력 파단이 최소화되도록 하기 위해 원추형 나사들을 사용할 수 있다. 상부 전극과 하부 전극을 연결하는 방법은 다른 방법도 사용될 수 있는데, 여기에는 후크와 래치, 설부와 홈, 기계식 볼트가 비제한적인 예로 포함된다. 플라즈마 가스의 일부가, 반드시 모두는 아님, 플라즈마 영역(111)에 도달하기 전에 통과하게 되는 동심 전극들 사이의 공간은 환형부이다. 상기 환형부의 폭은 애노드와 캐소드 사이의 평균 거리로서 설명되며, 간극 또는 끝부분 거리는 캐소드의 끝부분에서 애노드의 끝부분까지 가장 근접한 거리로서 설명된다. 전극 홀더들(101)이 홀더/전극 접합부(102)에서 상부 전극에 연결된다. 전극 홀더는 애노드와 캐소드 모두의 전기 절연을 가능하게 하며, 추가적으로 애노드와 캐소드로의 전기 연결부들을 제공한다. 전원 공급 장치를 애노드나 캐소드에, 혹은 애노드와 캐소드 모두에 연결시키는 것은 다른 수단을 통해 달성될 수 있지만, 여러 기능을 제공하는 전극 홀더들에 의해 달성될 때에 편리하다. 많은 것 가운데서 특히 테플론™ 폴리머 및 각종 세라믹을 포함하는 다양한 재료를 전극 홀더에 사용하는 것은 충분한 열 절연 및 전기 절연을 제공하기 위해 포함된다. 이 재료들은 추가적으로, 예열된 플라즈마 가스로 하여금 선택적으로 물로 냉각될 수 있는 전극 홀더에 근접해서 흐르게 할 수 있다. 플라즈마 가스는 이상적으로는 반응기의 가장 뜨거운 부분인 플라즈마 구역 또는 영역(111)으로 아크(110)를 통해서 운반되어서 열을 흩뜨리는 역할을 한다. 도 1의 넓은 상부 환형부(하부 환형부(109) 위의 상부 전극 부분에 있음)는 토치의 이 영역 내의 전극들 사이에 아크가 발생할 가능성을 줄일 수 있게 한다. 또한, 하부 전극은 사실상 소모성으로 설계되고, 상부 전극들과 전극 홀더들을 교체할 필요 없이 용이하고 신속하고 저렴한 교체가 이루어질 수 있게 한다.
도 2는 플라즈마 가스를 위한 몇 가지 가능한 상이한 흐름 경로들을 나타낸다. 플라즈마 가스는 차폐 가스(204)로서 작용하도록 외부 전극의 주위에서 흐를 수 있다. 이는 전극을 보호하고, 긴 수명을 제공하고, 토치에 의해 공급되는 열 부하의 효용을 최대화한다. 전극은 또한 샤워 헤드 디자인(202)을 취할 수 있는데, 이 경우에서, 내부 전극은 중공 링이 아니고 오히려 중공축을 갖는 중실 전극이며, 이는 내부 전극에서 열 소산(203)이 이루어지게 하며 토치의 열 부하의 효용을 최대화할 수 있게 한다. 또한, 상기 플라즈마 가스는 환형부(201)를 통해 흐를 수 있거나, 또는 예를 들어, 전극들을 관통해서 축 방향으로 꿰뚫는 관형 샤프트를 통해, 도 1에 도시된 중공 동심의 내부 전극과 외부 전극의 벽들을 통해 흐를 수 있다.
도 3은 토치와 하류 반응 구역을 도시한다. 플라즈마 가스(301)는 내부 전극(302)과 외부 전극(303)을 통해 수렴 또는 좁아지는 영역(304) 안으로, 그리고 목(305) 안으로, 이어서 이 목으로부터 발산하는 반응기(306) 안으로 해서, 플라즈마 구역의 하류로 흐른다. 이는 대량의 난류를 만들어내며, 이 구성은 탄화수소 공급 원료와의 최적의 혼합을 제공한다. 이 도면은 또한, 플라즈마 영역의 하부 및 중간부 주위를 흐르는 재순환 플라즈마 가스(307)로서, 플라즈마 토치의 열 부하를 더욱 효과적으로 이용하고 플라즈마 챔버의 사용 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 두 가지 기능, 즉 (1) 플라즈마 영역의 벽을 냉각시키고, (2) 플라즈마 가스를 플라즈마 챔버에 들어가기에 전에 예열하는 기능을 제공하는, 재순환 플라즈마 가스를 보이고 있다.
이 도면들 모두는 하방 흐름을 취하는 수직 상태의 토치/반응기를 보이고 있지만, 상방 흐름을 취하는 것 또는 수평 반응기를 구비하는 것도 가능하다. 도시된 특정 토치/반응기 설계에 있어서, 하방 흐름을 취하는 수직 반응기 배향이 바람직하다.
카본블랙은 수년에 걸쳐 다양한 공정에서 만들어졌지만, 플라즈마 기반 공정의 상업적 개발은 결코 성공하지 못했다. 과거에는, 카본블랙을 제조하기 위한 플라즈마 발생기 설계에, 현직의 노 공정과 경쟁했을 때에 살아남을 수 있게 하기 위한, 적절한 가열 속도, 내부식성, 경제적 플라즈마 가스, 빠른 혼합, 및 충분한 제조 경제성이 포함되지 않았다. 본원에 설명된 플라즈마 토치는 다른 것에서는 실패했던 플라즈마 처리를 통해 고품질 카본블랙의 연속 가동 및 생산을 가능하게 한다.
각종 산업 공정용 플라즈마 제트는 일반적으로는 방전 챔버와 상호 절연된 전극들을 포함하는 플라즈마 발생기에 의해 생산된다. 전기 아크 방전은 전극들 사이의 방전 챔버 내에서, 매체의 흐름 속에서 개시된다. 통상적으로 가스인 매체는 방전 챔버 내에서 플라즈마 상태로 가열되어, 플라즈마 제트의 형태로 발생기 밖으로 흐른다.
모든 플라즈마 발생기 부품들, 전극들, 더 정확히 말하자면 전기 아크에 노출된 이들의 표면들, 즉 "아크 스폿들"은 극한 열 플럭스에 노출된다. 이들 영역에서의 열 플럭스는 105W/cm2(제곱센티미터 당 와트)를 초과할 수 있으며, 이러한 환경은 알려져 있는 모든 금속을 녹이거나 침식시킬 것이다. 플라즈마 성분의 냉각은 전형적으로 열 교환제(thermal exchange agent)에 의한 자켓 냉각 기술을 통해 달성된다.
본원에 기재된 플라즈마 반응기에서, 다른 것들 중에서도 특히 전원 공급 장치, 아크 위치 제어, 전극 간 거리, 가스 유량은 성능을 보장하기 위해 높은 정밀도로 제어된다. 전원 공급 장치는 전극들에 연결되어, 고전압 스파이크에 대처할 수 있도록 매우 높은 개방 회로 전압을 제공한다. 전원 공급 장치는 500 내지 1500V(볼트) 또는 그 이상의 전형적인 작동 전압을 공급할 수 있다. 전원 공급 장치는 작동 전압의 1.5 내지 3.0배가 될 수 있는 개방 회로 전압을 갖는다. 이 전압 범위는 탄화수소 공급 원료 유량과 결합된 특정 플라즈마 가스 유량과, 60% 초과 수소로 이루어진 플라즈마 가스와, 4 내지 20mm(밀리미터)의 간극 거리의 조건에서 카본블랙을 제조하는 데 있어 최적인 것으로 밝혀졌다.
소정의 간극 거리, 전압, 플라즈마 가스 유량, 전극 끝부분의 표면적의 조건에서, 전극 끝부분의 최적의 전력 밀도는 0.1 내지 2kW/cm2(제곱센티미터 당 킬로와트)이다. 이 범위 아래의 전력 출력은 효율적인 카본블랙 생산에는 너무 낮고, 이 범위 위에서는 토치가 급속하게 분해되고, 그 결과 전극 마멸로 인해 카본블랙 생산이 비효율적이게 된다.
플라즈마 가스는, 플라즈마 토치의 영역을 통과하며 플라즈마 상태로 간주될 수 있게 충분히 상호 작용할 수 있는 가스이다. 본원에 사용된 플라즈마 가스는 여기된 가스를 의미할 수 있고, 또한 플라즈마 상태로 유도될 수 있었지만 어떤 이유에서 유도되지 않은, 플라즈마 토치 영역을 통과하는 임의의 가스를 의미할 수도 있다.
본원에 기술된 고효율 플라즈마 반응기의 플라즈마 가스의 성분들은 적어도 약 60%에서 최대 약 100%의 수소로 이루어지고, 추가로, 최대 약 30%의 질소, 최대 약 30% CO, 최대 약 30%의 CH4, 최대 약 10%의 HCN, 최대 약 30%의 C2H2, 최대 약 30%의 아르곤을 포함할 수 있다. 추가적으로, 상기 플라즈마 가스는 또한 안트라센, 나프탈렌, 코로넨, 피렌, 크리센, 플루오렌 등의 다환 방향족 탄화수소류로 구성될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 가스는 벤젠과, 톨루엔 또는 이와 유사한 현존하는 모노 방향족 탄화수소 성분들을 가질 수 있다. 보다 전형적인 조성은 90% 이상의 수소와, 0.2%의 질소, 1.0%의 CO, 1.1%의 CH4, 0.1%의 HCN, 0.1%의 C2H2, 또는 대략 이 함량 근처의 것들을 포함할 수 있다. 플라즈마 가스는 또한 약 80%의 수소를 포함할 수 있고, 나머지 부분은 전술한 가스들과, 다환 방향족 탄화수소류와, 모노 방향족 탄화수소류와, 기타 성분들의 몇몇 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명에서 전극용 구조 재료는 100W/m-K(미터 켈빈 당 와트)를 초과한 높은 열 전도성과 10e-2옴-m(미터) 미만의 전기 저항을 가져야 한다. 이 설명에 맞는 재료에는 흑연 및 탄화규소가 포함되는데, 흑연이 바람직하다. 이 재료는 반응성이 높은 수소 유리 라디칼 분위기에서 화학적 침식에 대한 내성을 가져야 한다.
전극들을 연결시키는 데에 원추형 나사들을 사용하게 되면 사용될 수 있는 전극 분해의 전위 및 응력 집중을 줄이게 된다. 약 3분의 1의 각을 갖는 테이퍼를 포함하는 바람직한 테이퍼들이 사용될 수 있지만, 약 2분의 1 내지 약 20분의 1로 가늘어진 테이퍼를 사용할 수 있다. 전극들의 나사가 진동을 통해 풀리는 것을 방지하기 위해, 나사 부분을 관통해서 구멍이 천공되어서 그 안에 핀이 삽입될 수 있다.
동심 전극들 사이의 이상적인 간극 거리는 원하는 작동 전압, 전류, 전극 마모에 기초할 때 약 4밀리미터(mm) 내지 약 20mm이다. 간극의 크기는 작동 전압을 약 500V 내지 최대 약 1200V 중의 어느 값으로 변경할 수 있습니다. 전극 마모를 최소한으로 하며, 열전달을 최적으로 하며, 원하지 않는 아크 발생을 최소한으로 하며, 아크의 아크 "상승(lift-off)"(아크 손실)으로 인한 꺼짐(blow-out)을 최소한으로 하는 바람직한 간극 크기는 약 8mm 내지 약 14mm이다.
또한, 전극의 길이는 전극의 열 분포를 제어하기 위해 제어될 수 있다. 전극의 길이를 증가시킴으로써 수랭식 홀더의 손실이 감소된다. 예를 들어, 750kW 토치를 위한 바람직한 길이 범위는 약 600mm 내지 약 1,500mm이고, 상기 1,500mm 전극 길이는 가장 완만한 열 분포를 제공한다. 증가된 길이는 열을 고루 분포시킬 뿐만 아니라, 전극으로부터의 복사 열 및 대류 열이 환형부 안이나 또는 주위를 흐르는 가스로 빼앗기도록 하는 표면을 더 많이 제공한다는 것을 당업자는 쉽게 파악할 수 있다. 물론, 이는 열 관리 및 전극의 무결성(균열의 감소 등) 모두의 최적의 이점을 얻을 수 있도록 중량 부하 요건에 대하여 균형을 이룰 것이다.
부하 대 열응력을 제어하거나 최적화하기 위한 추가적인 방법은, 원통형 전극 밖의 동심 링들에, 애노드와 캐소드 사이의 환형부를 여전히 허용하는 동심 튜브들을 통한 통전이 이루어지게 하는 접촉 끝부분들을 구성하는 것이다. 이러한 유형의 실시예에서의 전극들은 또한 전기 전도도 및 중량 부하 지지가 허용될 수 있도록 하기 위해 홈과 설부 형태의 연결부들을 갖는 직사각형일 수도 있다.
매우 큰 직경의 원통형 전극들에서의 열응력 균열을 해결하기 위해, 상이한 섹션들이 온도 구배에 따라 구부러질 수 있도록 한 설계에서 일반적으로 사용되는 특징부들을 가지고 섹션들이 함께 유지되게 한 배럴 스테이브 디자인을 사용하거나, 또는 열응력을 경감시키기 위해 안쪽으로 절개되어 있는 축 방향 슬롯들을 갖는 중실 재료 피스(piece)를 사용한다. 상기 축 방향 슬롯들은 배럴 스테이브 디자인이라고 지칭될 수 있다. 배럴 스테이브 디자인에서, 동심 링 또는 배럴을 만드는 데에 적어도 5 개의 스테이브 또는 섹션들이 필요하게 된다.
다른 대안적 실시예는 별개의 피스들을 사용해서 원통을, 예를 들어 중실 봉들의 링을 흉내 내는(simulate) 것이다. 이 구성은 또한 재료의 가용성 및 교체의 용이성 측면에서 장점을 가진다.
전극의 수명 연장은 전극에 대한 전기 아크의 열 영향을 최소화시키는 능력뿐만 아니라 부식성 매체에 대한 전극 표면의 적절한 보호에 크게 의존한다. 이것은 전극 표면 위에서 아크 스폿을 신속하게 이동시킴으로써 아크 스폿의 효과를 감소시키기 위해 전자기장을 적용함으로써 부분적으로 달성될 수 있고, 이에 의해 평균 열 플럭스에 있어서의 전극과 전기 아크 사이의 접촉 면적에 대한 밀도가 감소된다. 자기장은 전극들의 외측에 위치하는 환형 자기 코일의 사용을 통해 제공된다. 중심축을 중심으로 한 아크의 회전을 용이하게 하는 토치의 중심축을 중심으로 아크가 회전하도록 하는 방식으로 자기장이 배향되는 한, 자기장은 또한 영구 자석의 사용에 의해서도 제공될 수 있다.
또한, 자기장은 플라즈마를 두 전극들 사이의 인접한 공간의 경계 외부로 밀어낸다. 이는 부식성 매체(과열 H2 및 수소 라디칼)가 전극 자체로부터 대량으로 분리된다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 상기 방법은 토치의 끝부분에서의 환형부에서 축방향으로 측정했을 때에, 이를 이하에서는 축방향 성분이라고 칭함, 약 20밀리테슬라(mT) 내지 100밀리테슬라인 자기장을 전극에 적용함으로써 생성되는 회전하는 아크 방전을 사용하는 것을 포함한다. 약 30밀리테슬라 내지 약 50밀리테슬라의 값이 일반적으로 사용될 수 있다. 자기장의 전형적인 방사상 성분은 약 3mT 내지 약 15mT일 수 있다.
아크의 거동을 조작하기 위해 사용되는 자기장의 형상을 맞게 맞추는 데에 하나 이상의 자기 코일이 사용될 수 있다. 예를 들어, 어떤 코일 설계는 토치의 끝부분에 6mT 방사상 성분과 40mT 축 방향 성분을 갖는 발산 자기장을 일으킬 수 있다. 이 성분들 중 다른 하나를 제외한 어느 하나를 변경하는 것은 하나의 코일을 사용해서는 불가능하지만, 여러 개의 코일의 사용함으로써 아크를 특정 방사상 및 축 방향 성분에 맞게 맞출 수 있다. 이는 자기 코일의 자본 비용을 더 줄일 수 있고, 전극의 수명을 최대화할 수 있도록 자기장의 모양을 최적화시킬 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 전극은 상부 부분과 하부 부분으로 구성될 수 있고, 이 경우에서, 하부 부분은 저비용 흑연 부품으로 매우 신속하게 교체되게 구성될 수 있다. 이와 관련해서 소모성이라는 정의는 축 방향으로 배향된 흑연 침식의 인치 당 1톤을 초과하지만 100톤 미만인 카본블랙이 생산된다는 것을 의미한다. 또한, 카본블랙 제조 가동 중에 제 위치에서 제거되거나 또는 소모되도록 한 다수의 소모성 전극들, 예를 들어 세 개, 네 개, 또는 그 이상의 소모성 전극들을 상부 전극에 부착시킬 수 있다. 이는 토치의 비가동 시간의 제한을 가능하게 하고, 저렴하고 신속하게 교체되는 희생 전극을 제공한다.
전극의 냉각에 영향을 주고 아크 영역의 유동 프로파일을 변경시키기 위해 사용하는 상이한 가스 유동 경로들이 예를 들어 도 2에 도시된다. 가스는 환형부(기정 유로(default flow path))를 통과하거나, 중심 전극 안으로 천공된 구멍(들)로 이루어진 내부 경로(201)를 통과하거나, 내부 전극 내부의 중공 경로를 통과하거나, 또는 외부 전극 주위의 외부 경로(204)를 통과(이를 차폐 가스라고 함)할 수 있다. 도 2에서, 이 외부 경로는 상부 전극에 있는 구멍들의 고리를 통과하지만, 이 유동의 입구는 환형 슬롯일 수 있다. 내측 및 외측 유로는 전극을 냉각하고 가스에 더 많은 열을 전달하는 데 도움이 된다. 내측 및 외측 유로는 또한 더 많은 가스 유량을 허용하는데, 이러한 가스 유량은 전체적으로 환형부를 통해 보내지는 경우에는 아크를 "불어 끄는(blow out)" 수가 있다. 또한, 외측 유로는, 플라즈마 영역을 한정하며 주변 내화물을 보호하는 데 도움이 되는 차폐 가스로서 작용한다. 전형적인 유동 분할은 환형부를 통해 약 50%로, 나머지 두 경로 각각을 통해 약 25%로 할 수 있다. 상이한 작동 체제들을 달성하고 상이한 목표들(예컨대, 마모 감소, 작동 전압 증가 등)을 최적화하기 위해 임의의 조합의 유동 분할이 사용될 수 있다.
추가적인 관심 사항은 전극들 사이의 전기적 접촉을 확립하고 아크를 개시시키는 기계적 수단의 이용이다. 이는 고전압 스타터 및 관련 장비의 필요성과 안전 위험을 제거한다. 이는, 흑연 또는 구리 등의 전기 도전성 재료로 제조된 것으로서, 물러나기 전까지는 전류 흐름을 허용하면서 전극들을 동시에 접촉시키는, 이동 봉으로 구성될 수 있다. 상기 스타터 봉은 외부 전극을 통해서 들어와서 환형부 내에 아크가 튀게 하는 플런저일 수 있거나, 또는 전극의 끝부분에서 아크가 튀게 하는 회전 암일 수 있다.
여기에 기술된 바와 같이, 반응기는 두 개의 부분 또는 구역과, 플라즈마 구역과, 반응기 구역으로 분리되고, 이들 사이의 영역에서는 천연 가스 또는 기타 공급 원료 분사가 일어난다. 두 개의 영역을 분리하기 위해서뿐만 아니라 플라즈마 가스를 가속시켜서 더 강한 혼합이 더 작은 영역에서 일어날 수 있도록 하기 위해 목 부분이 사용된다. 따라서, 목 부분은 플라즈마 구역과 반응 구역 사이의 가장 좁은 부분으로 정의된다. 목 부분의 길이는 수 미터이거나, 또는 약 0.5 내지 약 2mm만큼 작을 수 있다. 목 부분의 가장 좁은 지점은 목 부분의 가장 좁은 직경 + 20%로 정의된다. 가장 좁은 단면의 약 10% 내에 있는 임의의 단면은 목 부분의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
반응기 안으로의 바람직한 분사 지점은 목 부분의 상류의 약 5 개의 직경부들과 목 부분의 하류의 약 5 개의 직경부들이다. 하나의 직경부는 목 부분의 가장 좁은 지점에 있는 목 부분의 직경부로서 정의된다. 선택적으로 분사는 목 부분의 약 +/- 2 개의 직경부 또는 약 +/- 1 개의 직경부 내에서 발생할 수 있다.
허용 가능한 탄화수소 공급 원료는 화학식 CnHx 또는 CnHxOy를 갖는 임의의 화학 물질을 포함한다. 예를 들어, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 단순한 탄화수소를 사용할 수 있다. 벤젠, 톨루엔, 메틸나프탈렌, 열분해 연료유, 콜타르, 석탄, 중유, 오일, 바이오 오일, 바이오 디젤, 기타 생물학적으로 유도된 탄화수소 등의 방향족 공급 원료. 또한, 에틸렌, 아세틸렌, 부타디엔, 스티렌 등의 불포화 탄화수소 공급 원료도 사용될 수 있다. 에탄올, 메탄올, 프로판올, 페놀, 및 이와 유사한 것 등의 산소 첨가 탄화수소도 또한 허용 가능한 공급 원료이다. 이 예들은, 제조를 위해서 다른 허용 가능한 성분과 추가로 조합 및/또는 혼합될 수 있는 허용 가능한 탄화수소 공급 원료의 비제한적인 예로서 제공된다. 여기서 언급된 탄화수소 공급 원료는 대부분의 공급 원료가 실제로 탄화수소라는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위의 범위 내에 속할 수 있는 모든 변형 및 변화를 포함해야 한다. 본 발명의 다른 실시예들은 당업자들에게 있어서는 여기에 개시된 발명의 명세서 및 실시를 고찰함으로써 명백해질 것이다. 명세서 및 예들은 단지 예시로서 고려되어야 하는 것으로, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 다음의 청구범위가 나타내고 있다.

Claims (32)

  1. 외부 전극 내에 끼워진 내부 전극을 포함하는 적어도 두 개의 전극을 포함하는 플라즈마 토치로서, 상기 내부 전극은 상기 외부 전극과 동축으로(coaxially) 정렬되고, 상기 전극들 중 적어도 하나는 (i) 링 또는 배럴(barrel)을 형성하는 스테이브들(staves) 또는 섹션들(sections)을 포함하는 배럴 스테이브 디자인, (ii) 상기 전극들 중 적어도 하나의 안쪽으로 절개된 축 방향 슬롯들 또는 홈들, 또는 (iii) 중공(hollow) 원통을 흉내내는(simulate) 원통형 봉들(rods)을 포함하며, 이에 따라 상기 전극들 중 적어도 하나가 열응력을 경감시키거나 열 균열을 제어하도록 구성된 것인 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극이 중공인 플라즈마 토치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극은 중공이 아닌 플라즈마 토치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극들 사이의 간극 거리가 4밀리미터(mm) 이상이고 20mm 이하인 플라즈마 토치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극들 사이의 간극 거리, 상기 전극들 중 적어도 하나의 전극 두께, 또는 상기 전극들 중 적어도 하나의 끝부분(tip)의 표면적이 플라즈마 발생 동안 실질적으로 일정하게 유지되는 것인 플라즈마 토치.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 두 개의 전극들 사이의 적어도 하나의 환형부(annulus)를 추가로 포함하는 플라즈마 토치.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 두 개의 전극들 사이에 상부 환형부와 하부 환형부를 추가로 포함하며, 상기 상부 환형부는 상기 하부 환형부보다 넓은 것인 플라즈마 토치.
  8. 제1항에 있어서, 300볼트(V) 내지 1500V의 작동 전압과 최대 4500V의 개방 회로 전압을 공급할 수 있는 전원 공급 장치를 추가로 포함하는 플라즈마 토치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전극들 중 적어도 하나의 전극이 끝부분을 구비하고, 상기 플라즈마 토치가 상기 전극의 끝부분에 10밀리테슬라(mT) 내지 100mT의 축 방향 성분을 갖는 자기장을 제공할 수 있는 자기장 발생 부품을 추가로 포함하는 것인 플라즈마 토치.
  10. 제1항에 있어서, 적어도 두 개의 전극들 중 하나를 형성하는 상부 캐소드 및 하부 캐소드 또는 적어도 두 개의 전극들 중 다른 하나를 형성하는 상부 애노드 및 하부 애노드를 추가로 포함하며, (i) 상기 상부 캐소드는 전기 도전성 전극 접합부에서 상기 하부 캐소드에 연결되어 하나의 전기 도전성 전극을 형성하거나, 또는 (ii) 상기 상부 애노드는 전기 도전성 전극 접합부에서 상기 하부 애노드에 연결되어 하나의 전기 도전성 전극을 형성하는 것인 플라즈마 토치.
  11. 제10항에 있어서, 원추형 나사들이 상기 상부 캐소드와 상기 하부 캐소드 또는 상기 상부 애노드와 상기 하부 애노드를 연결하는 것인 플라즈마 토치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하부 캐소드와 상기 하부 애노드 사이의 하부 환형부 및 상기 상부 캐소드와 상기 상부 애노드 사이의 상부 환형부를 포함하며, 상기 하부 환형부는 상기 상부 환형부보다 더 좁은 것인 플라즈마 토치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 하부 캐소드 또는 상기 하부 애노드가 소모성인 플라즈마 토치.
  14. 제13항에 있어서, 다수의 소모성 하부 캐소드들이 상기 상부 캐소드에 부착되거나 또는 다수의 소모성 하부 애노드들이 상기 상부 애노드에 부착된 것인 플라즈마 토치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 외부 전극의 끝부분의 표면적이 상기 내부 전극의 끝부분의 표면적과 비교할 때 2:3보다 크지만 4:1보다 작은 것인 플라즈마 토치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 배럴 스테이브 디자인이 적어도 5 개의 스테이브들을 포함하고, 상기 적어도 5 개의 스테이브들이 링을 형성하는 것인 플라즈마 토치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극이 샤워 헤드 디자인을 포함하는 것인 플라즈마 토치.
  18. 제1항에 있어서, 차폐 가스의 흐름을 위한 환형부를 포함하는 플라즈마 토치.
  19. 제1항에 있어서, 플라즈마 가스의 흐름을 위한 적어도 하나의 채널을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 채널은 상기 내부 전극의 환형부, 차폐 가스 채널, 샤워 헤드, 두 개 이상의 전극들 중 적어도 하나의 중공 전극의 몸체, 및 두 개 이상의 전극들 중 적어도 하나의 중공 전극의 중심으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 요소를 포함하는 플라즈마 토치.
  20. 제1항에 있어서, 자기장을 생성하는 적어도 하나의 자석을 포함하고, 사용 시에, 상기 자석은 상기 자기장을 생성하여 상기 자기장이 상기 플라즈마 토치의 표면에 걸쳐 적용되도록 하는 플라즈마 토치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전극들의 애노드를 상기 전극들의 캐소드에 연결시키고 아크의 개시를 위한 도전성 경로를 제공하는 도전성 기계적 커넥터를 포함하는 플라즈마 토치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 전극들이 흑연 전극인 플라즈마 토치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 전극들이 원통형인 플라즈마 토치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 전극들 중 적어도 하나가 링 또는 배럴을 형성하는 스테이브들 또는 섹션들을 포함하는 배럴 스테이브 디자인을 포함하는 것인 플라즈마 토치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 전극들 중 적어도 하나가 상기 전극들 중 적어도 하나의 안쪽으로 절개된 축 방향 슬롯들 또는 홈들을 포함하는 것인 플라즈마 토치.
  26. 제1항에 있어서, 상기 전극들 중 적어도 하나가 중공 원통을 흉내내는 원통형 봉들을 포함하는 것인 플라즈마 토치.
  27. 제1항의 플라즈마 토치를 포함하는 플라즈마 반응기로서, 상기 플라즈마 반응기는 벽들을 포함하고, 상기 플라즈마 반응기의 벽들은 목이 형성되도록 플라즈마 토치 이후에 좁아지고 목 이후에서 발산하는 것인 플라즈마 반응기.
  28. 제27항에 있어서, 상기 목 내에 탄화수소 공급 원료 인젝터들을 포함하는 플라즈마 반응기.
  29. 제27항에 있어서, 상기 목의 상류로 직경부 5배 및 상기 목의 하류로 직경부 5배 내에 탄화수소 공급 원료 인젝터들을 포함하는 플라즈마 반응기.
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  31. 삭제
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